Невозможность второго рода. Невероятные поиски новой формы вещества - Пол Стейнхардт

Однако, когда я вошел в лабораторию, Нань как безупречный профессионал уже вовсю там работал. Я сел рядом с ним за просвечивающий электронный микроскоп. Он уже аккуратно поместил в держатель образцов золотую сетку с нашими зернами, загрузил держатель в микроскоп, откачал камеру и приступал к поиску среди зерен перспективного кандидата для исследования. Нань смотрел прямо в микроскоп, а я мог наблюдать за происходящим по изображению на мониторе.

Спустя несколько минут он указал на зерно размером два микрона, что примерно в пятьдесят раз меньше толщины человеческого волоса. Увеличенный снимок этого зерна приведен справа. Под микроскопом оно было похоже на крошечный топор. Нань отметил, что часть зерна около “рукояти” казалась достаточно тонкой, чтобы электроны могли сквозь нее пройти.

Пользуясь регуляторами, он медленно перемещал держатель образца, пока “рукоять” зерна-“топора” не оказалась прямо на оси электронного луча. После нескольких проверок Нань объявил, что готов приступить к эксперименту.

Первым шагом было использование просвечивающего электронного микроскопа в режиме сходящегося луча, который для образцов очень совершенных кристаллов дает узор из пересекающихся полос, называемый линиями Кикучи в честь японского физика Сэйси Кикучи, открывшего этот эффект в 1928 году.

К нашему удивлению, зерно сразу же породило красивые линии Кикучи. Мы не ожидали найти такой идеальный образец в породе и уж тем более с самой первой попытки.

Но что по-настоящему заставило нас раскрыть от удивления рты, так это то, что узор состоял из полос, образующих рисунок с симметрией десятого порядка, представленный на следующей странице. Я не отрываясь смотрел на монитор. Десятилучевая симметрия линий Кикучи была невозможна для обычных кристаллов. Ее обнаружение было для нас первым указанием, что образец действительно может быть природным квазикристаллом.

Я почувствовал, как выпрямляюсь на стуле. Это утро могло оказаться поистине потрясающим!

Линии Кикучи позволяют направить электронный пучок так, чтобы он шел почти в точности вдоль оси симметрии атомной структуры. Нань принялся возиться с элементами управления, чтобы переориентировать образец и переключиться в режим дифракции.

Как только он нажал на переключатель, на экране появилось изображение, совершенно меня поразившее. Я увидел созвездие четких дифракционных точек, которые располагались в форме снежинки, состоящей из пятиугольников и десятиугольников, – идеальный узор для икосаэдрического квазикристалла. Я почувствовал, как мое лицо расплывается в улыбке. Я буквально не верил своим глазам. Это была электронная дифракционная картина, гораздо более совершенная, чем та, которую Шехтман получил в 1982 году. Но у него образец был синтетическим, а здесь – природным. Я с благоговением рассматривал изображение на экране.

Мы с Нанем не кричали “Эврика!”, не хлопали в ладоши, не поздравляли друг друга. Мы сидели в полной тишине, потому что в словах не было необходимости. Мы оба понимали, что стали свидетелями “невозможности второго рода”. Это было первое открытие природного квазикристалла.

Большинство ученых работают всю жизнь в надежде поймать такой момент. Сидя вместе и поеживаясь от холода в еще не прогревшейся лаборатории, мы с Нанем прекрасно осознавали, как нам повезло. Это был момент тихого ошеломления.

Прошло почти двадцать пять лет с тех пор, как я впервые начал свои неформальные поиски природного квазикристалла в коллекциях минералов музеев естествознания. Десять – с тех пор, как мы с Нанем, Питером и Кеном начали систематический поиск по всемирной базе данных минералов. Многие считали этот трудоемкий проект безнадежным и, возможно, даже немного дурацким. Как скептики и предсказывали, мы так и не получили ни одного обнадеживающего результата. Фактически мы даже близко к нему не подошли.

И все же этот безуспешный поиск привел меня к Луке Бинди и давно забытому образцу в хранилище его музея. И теперь ни одно из этих десятилетий неудач ничего не значило. Все изменилось благодаря изображению, что я видел на мониторе. На следующей странице представлена сильно переэкспонированная версия первой дифракционной картины, которую мы увидели тем утром.

Все еще любуясь изображением, мы с Нанем наконец начали обмениваться репликами. Наш разговор был очень деловым – мы спокойно обсуждали дальнейшие шаги.

Первым делом требовалось разместить образец на держателе, позволяющем наклонять его под точно заданными углами, чтобы пронаблюдать различные узоры в разных направлениях. Этот тест должен был иметь решающее значение и показать, что образец обладает всеми симметриями икосаэдра.

По словам Наня, это можно было сделать, только впустив воздух в вакуумную камеру, где находился образец, и затем переустановив держатель – сложная операция, требовавшая времени. Хотя официально оборудование было зарезервировано другими людьми, масштаб нашего открытия побудил Наня попытаться урвать на неделе время для этой проверки. А пока что нам обоим пора было идти домой.

Морозные улицы Принстона все еще были темными и пустынными, когда я покинул лабораторию. Но я уже не обращал внимания на холод. Я ехал домой в некой грезе наяву, снова и снова мысленно воспроизводя это утро. Природный квазикристалл. Невозможно.

Вздремнув, я через несколько часов отправил Луке электронное письмо с темой “Квазисчастливого Нового года”. Мой итальянский коллега был третьим человеком в мире, который узнал об открытии природных квазикристаллов. Но Лука, вероятно, сказал бы, что он был первым. Первоначальные порошковые дифракционные тесты в его лаборатории во Флоренции дали неоднозначные результаты. Но научная интуиция Луки, которая в течение следующих нескольких лет еще не раз подтверждала свою удивительную точность, вселила в него полную уверенность в том, что материал, который он мне прислал, содержит квазикристалл.

Через несколько дней Нань, как и обещал, сумел выкроить чуть больше времени на просвечивающем электронном микроскопе. Он поворачивал образец под разными углами и получил серию дифракционных картин с симметрией прямоугольника (см. слева внизу) и шестиугольника (справа).

Углы, под которыми Наню требовалось поворачивать образец, чтобы перейти от десятилучевого узора к прямоугольному, а затем к шестиугольному, точно соответствовали предсказываемым для икосаэдра; например, угол между воображаемой линией, соединяющей центр икосаэдра с одной из его вершин, и линией, идущей от центра икосаэдра к центру одной из его треугольных граней. Это было неоспоримым доказательством того, что наше зерно обладает идеальной икосаэдрической симметрией.

Предварительный тест Луки показал, что зерна содержали алюминий, железо и медь примерно в той же пропорции, которую Ан-Пан Цай и его коллеги измерили в историческом образце, открытом ими в 1987 году, – первом достоверном примере синтетического квазикристалла с точечными дифракционными пиками. Но для полной уверенности нам нужно было провести более точное измерение.

У меня был небольшой образец синтетического квазикристалла Цая, подаренный мне на память в 1989 году. Более двадцати лет он был одним из ценнейших экспонатов в моем кабинете, но я все же отколол от него небольшую часть, чтобы Нань